地鐵預(yù)制裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值研究

歐飛奇

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

1 背景

目前，我國(guó)正處于快速城鎮(zhèn)化階段，城市規(guī)模日益增大，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求也日益增加。地鐵作為高效、綠色、低碳的公共交通資源，在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著不可替代的作用。預(yù)制裝配式地鐵車(chē)站采用模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，可保證施工質(zhì)量、降低環(huán)境污染，具有傳統(tǒng)現(xiàn)澆式車(chē)站不可比擬的優(yōu)勢(shì)。自1995年阪神地震中大開(kāi)車(chē)站遭受?chē)?yán)重破壞[1]以來(lái)，地下結(jié)構(gòu)的抗震安全性引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，我國(guó)關(guān)于預(yù)制裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震研究仍處于起步階段[2]。而保障結(jié)構(gòu)的地震安全性有助于節(jié)約社會(huì)資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，符合當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，因此有必要開(kāi)展預(yù)制裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震研究。

預(yù)制裝配式車(chē)站先分塊預(yù)制，由接頭拼裝，接頭處的抗震性能決定車(chē)站整體的抗震性能[3-4]，已有學(xué)者針對(duì)裝配式車(chē)站接頭的力學(xué)性能、傳力機(jī)制開(kāi)展相關(guān)研究[5-6]，研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)現(xiàn)澆車(chē)站結(jié)構(gòu)相比，裝配式車(chē)站接頭能夠靈活適應(yīng)地震作用產(chǎn)生的變形，從而使結(jié)構(gòu)的整體彎矩大幅減小，增大結(jié)構(gòu)的抗震性能，但接頭處易產(chǎn)生較大變形。接頭處的連接方式不同從而導(dǎo)致構(gòu)件的強(qiáng)度、變形模式、抗震性能存在差異，目前接頭處的連接方式主要包括：螺栓連接[7]、灌漿套筒連接[8]、榫槽+連接件連接[6]。亦有學(xué)者關(guān)注車(chē)站局部節(jié)點(diǎn)的抗震性能，杜修力等[9]通過(guò)開(kāi)展足尺試驗(yàn)，研究了預(yù)制拼裝側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)的抗震性能，研究結(jié)果表明：預(yù)制裝配式節(jié)點(diǎn)在循環(huán)往復(fù)荷載作用下初始剛度較大且破壞位置集中。李晟等[10]則指出預(yù)制鋼管混凝土柱可以有效保證中柱在強(qiáng)震作用下的安全性，且震后容易修復(fù)。對(duì)于裝配式車(chē)站的整體研究，主要集中于靜載作用下車(chē)站的傳力機(jī)制和變形性能。丁鵬等[11-12]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站的數(shù)值模擬，指出車(chē)站的閉腔構(gòu)造可以降低結(jié)構(gòu)自重，從而使結(jié)構(gòu)所受彎矩顯著降低，結(jié)構(gòu)整體趨于安全穩(wěn)定。陶連金等[13]以長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線為背景，分析了裝配式地鐵車(chē)站拼裝成環(huán)后的整體力學(xué)行為，證明了支撐可以有效降低拼裝誤差，減小接頭的接觸應(yīng)力和張開(kāi)量。總之，預(yù)制裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)作為我國(guó)新興車(chē)站結(jié)構(gòu)，其整體抗震性能研究方面仍存在諸多空白。

本文以深圳地鐵某裝配式車(chē)站為研究背景，分析單環(huán)裝配式地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)。通過(guò)有限元通用軟件建立地層-結(jié)構(gòu)模型，采用彈簧-實(shí)體接觸模擬裝配式車(chē)站接頭，研究結(jié)構(gòu)和地層的相互作用機(jī)制以及車(chē)站結(jié)構(gòu)在地震作用下力學(xué)、變形和接頭的動(dòng)力響應(yīng)特征，揭示預(yù)制裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震下的傳力與變形機(jī)理，明確抗震薄弱環(huán)節(jié)。

2 工程概況

本研究以深圳某在建預(yù)制裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)為背景，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)斷面采用9塊拼接（圖1），塊與塊之間采用新型的CHC接頭（圖2，由C型鋼和H型鋼組成）。結(jié)構(gòu)斷面總高度為16.4 m，總寬度為20.3 m；斷面站廳層結(jié)構(gòu)凈高6.6 m，站臺(tái)層結(jié)構(gòu)凈高7.4 m；構(gòu)件底板最薄處為1 m，側(cè)墻厚度為1 m，頂板最薄處為0.9 m；單環(huán)縱向?qū)挾葹? m。

圖1 單環(huán)裝配式車(chē)站主體結(jié)構(gòu)（單位：m）

圖2 CHC接頭

車(chē)站所處工程場(chǎng)地覆蓋層為23.4 m，等效剪切波速為279 m/s，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)（根據(jù)GB/T 51336-2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》劃分）[14]。車(chē)站埋深為4 m，采用明挖法施工，車(chē)站所處地層主要為粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)砂性土，無(wú)液化場(chǎng)地。

3 動(dòng)力分析數(shù)值模型

3.1 有限元模型

本文采用有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，分析采用新型CHC接頭的預(yù)制裝配式車(chē)站地震響應(yīng)，數(shù)值模型如圖3所示，模型平面尺寸為（300×100） m（寬度×高度），單環(huán)厚度（出平面方向尺寸）為2 m，車(chē)站頂板埋深為4 m，土體和結(jié)構(gòu)模型均采用四面體實(shí)體單元C3D8R離散，網(wǎng)格數(shù)量約8萬(wàn)個(gè)。為了滿足計(jì)算精度，結(jié)構(gòu)區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸為1 m，小于波動(dòng)最大頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/10[15]，網(wǎng)格劃分遵循結(jié)構(gòu)附近加密的原則。隧道與周?chē)貙又g的連接方式為摩擦連接，切向設(shè)置摩擦系數(shù)為0.5[16]，法向?yàn)橛步佑|（即不允許網(wǎng)格法向相互侵入）。

圖3 數(shù)值模型

3.2 計(jì)算參數(shù)及材料本構(gòu)

車(chē)站結(jié)構(gòu)處地層剖面參數(shù)如表1所示，車(chē)站埋置地層主要為粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性土。地層動(dòng)力力學(xué)行為由等效線性化模型[17]模擬，該模型采用等效的剪切模量（G/G0）和阻尼比（ξ）近似反映地層非線性特征，地層剪切模量和阻尼比隨剪應(yīng)變（γ）變化曲線如圖4所示。地層模型的阻尼采用Rayleigh阻尼，取模型前兩階的圓頻率（f1= 2 Hz，f2= 3 Hz）來(lái)計(jì)算阻尼系數(shù)。

表1 地層參數(shù)表

圖4 地層動(dòng)力特征曲線

車(chē)站結(jié)構(gòu)由C50混凝土澆筑，材料參數(shù)按GB 50010-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中規(guī)定取值，并引入混凝土塑性損傷模型（CDP），通過(guò)應(yīng)力損傷（SDEG）剛度折減系數(shù)衡量整體結(jié)構(gòu)抗震性能[19]，此系數(shù)可以指示單元最大受拉與受壓損傷，定義為單元折減后強(qiáng)度與初始強(qiáng)度的比值，取值為1時(shí)代表結(jié)構(gòu)完全破壞。C50混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變和損傷系數(shù)-應(yīng)變示意圖如圖5所示。塊與塊之間的CHC接頭主要承擔(dān)拉力，通過(guò)兩點(diǎn)彈簧模擬，受拉剛度通過(guò)原型試驗(yàn)和理論計(jì)算確定，彈簧剛度設(shè)置為1.039×109N/m。

圖5 CDP受壓模型

3.3 輸入地震動(dòng)及邊界條件

計(jì)算模型包含不考慮結(jié)構(gòu)的自由場(chǎng)模型（只含地層）和考慮車(chē)站-地層相互作用的車(chē)站-地層模型。進(jìn)行動(dòng)力分析之前，首先對(duì)地層-結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，在結(jié)構(gòu)已有初始應(yīng)力、變形的基礎(chǔ)上分析動(dòng)力響應(yīng)。工程場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，選擇相同場(chǎng)地類(lèi)別的實(shí)測(cè)波Taft波作為基巖波輸入，根據(jù)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)（加速度峰值0.75g）對(duì)地震波調(diào)幅，并進(jìn)行基線校準(zhǔn)和濾波處理，輸入的地震波和傅里葉譜如圖6所示。為了減弱局部模型帶來(lái)的邊界效應(yīng)，側(cè)向邊界采用等位移邊界[20]，模擬地震波傳播過(guò)程地層剪切變形模式。

圖6 輸入地震波

4 結(jié)果分析

4.1 地層-結(jié)構(gòu)相互作用

定義加速度放大系數(shù)β為測(cè)點(diǎn)加速度峰值amax與輸入地震動(dòng)峰值加速度峰值a0，max的比值，表示為：

圖7為車(chē)站-地層和自由場(chǎng)模型加速度放大系數(shù)隨埋深變化曲線，A1～A4為車(chē)站-地層模型加速度測(cè)點(diǎn)，SA1～SA4為同位置處自由場(chǎng)模型加速度測(cè)點(diǎn)。由圖可知：①2個(gè)模型的近地表加速度響應(yīng)都隨埋深減小而增大；②同埋深位置，車(chē)站-地層模型的加速度放大倍數(shù)大于自由場(chǎng)模型，說(shuō)明車(chē)站結(jié)構(gòu)的存在會(huì)明顯放大原場(chǎng)地的加速響應(yīng)。為了更好地分析地層-結(jié)構(gòu)相互作用，通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）將2個(gè)模型的加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻域，如圖8所示。由圖可知，A3及SA3，A4及SA4頻譜基本一致，而A1、A2分別相較于SA1和SA2有所放大，說(shuō)明車(chē)站結(jié)構(gòu)主要放大結(jié)構(gòu)頂板到地表范圍的場(chǎng)地加速度響應(yīng)，放大頻段范圍為2～5 Hz。

圖7 加速度放大系數(shù)隨埋深變化關(guān)系

圖8 傅里葉譜

4.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

車(chē)站結(jié)構(gòu)在地震作用下各層間水平位移時(shí)程曲線如圖9所示。D1、D2、D3分別對(duì)應(yīng)頂板、中板、底板水平位移，位移響應(yīng)同加速度響應(yīng)規(guī)律一致，隨埋置深度的減小而增大，頂板位置處的水平位移響應(yīng)最大。各處最大水平位移都出現(xiàn)在t= 8 s時(shí)刻，而非地震波時(shí)程對(duì)應(yīng)加速度最大時(shí)刻，說(shuō)明不能只依據(jù)加速度響應(yīng)判斷結(jié)構(gòu)實(shí)際地震響應(yīng)大小。參照GB/T 51336-2018 《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]，定義層間位移角Δθ為：

圖9 層間水平位移時(shí)程曲線

式（2）中，（D1-D3）為層間位移（此處最大值為1.41 mm）；Δh為頂板底板的高程差（此處為15.5 m）。最終求得最大層間位移角為0.1‰，在規(guī)范限值（1/550）之內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足地震安全。

4.3 接縫應(yīng)力及變形

接縫相鄰單元兩點(diǎn)的位移差即為接縫的變形，各接縫的變形時(shí)程如圖10所示。J2、J3和J4的接縫變形最終沒(méi)有歸零，存在永久變形；J2的接縫變形最小，是因?yàn)橹邪逯饕袚?dān)兩側(cè)的側(cè)土壓力，傳遞軸力，基本全程處于受壓狀態(tài)；J1位置接縫變形最大為4.6 mm，主要是頂板構(gòu)件類(lèi)似于簡(jiǎn)支梁體系，頂板承受上覆荷載產(chǎn)生較大彎矩的同時(shí)，接縫處簡(jiǎn)化為帶有一定剛度的鉸接支座，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)角位移，導(dǎo)致較大的接縫變形。J3和J4的接縫變形最大分別為1.5 mm和1.8 mm，是由于水平地震作用下結(jié)構(gòu)剪切變形，塊體間相互錯(cuò)動(dòng)引起的接縫變形。

圖10 接縫張開(kāi)變形時(shí)程

塊與塊之間的接觸應(yīng)力云圖如圖11所示，接觸應(yīng)力最大的位置為角塊E和C的接觸面，因?yàn)榇颂幹饕獋鬟f上部豎向荷載（上覆土和結(jié)構(gòu)自重）；角塊D中板的接觸應(yīng)力也處于較高水平，同樣說(shuō)明了中板主要承受側(cè)土壓力，起到水平支撐作用，因此此處幾乎不產(chǎn)生接縫張開(kāi)變形。各接觸面最大壓力為8.39 MPa，混凝土不會(huì)受壓破壞，滿足抗震要求。

圖11 接頭處接觸應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力及塑性損傷

結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖12所示，結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力表示單元所受最大拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力表示單元所受壓應(yīng)力。由圖可知，塊體自身的應(yīng)力均處于較低水平，應(yīng)力主要集中在接縫位置，說(shuō)明地震荷載主要由接頭承擔(dān)，結(jié)構(gòu)的抗震性能由接頭處抗震性能決定，與已有研究結(jié)論相符[3-4]。圖13a和圖13b分別為結(jié)構(gòu)受壓和受拉損傷結(jié)果，受壓損傷位于側(cè)墻與頂板連接處，主要是承受上覆土及自重荷載；受拉損傷則主要分布于車(chē)站上半部分接頭處和頂板、中板跨中。由前述分析可知，車(chē)站的地震響應(yīng)隨埋深減小而增大，因此頂板附近接頭處隨結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生較大拉力；頂板跨中損傷是因?yàn)轫敯宄惺芨餐良白灾乜缰杏休^大彎矩，底部受拉；中板的跨中損傷則是由于初始自重受彎變形后，中板兩側(cè)在地震過(guò)程中承受較大的軸力，進(jìn)而加劇了的中板底部的受拉損傷。

圖12 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖13 結(jié)構(gòu)損傷云圖

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)建立裝配式地鐵車(chē)站的土層-結(jié)構(gòu)有限元模型，采用動(dòng)力時(shí)程的分析方法研究裝配式車(chē)站的地震響應(yīng)，所得主要結(jié)論如下。

（1）車(chē)站結(jié)構(gòu)的存在會(huì)放大原場(chǎng)地近地表處的加速度響應(yīng)，放大效應(yīng)主要體現(xiàn)在2～5 Hz的頻段。

（2）車(chē)站結(jié)構(gòu)的水平位移隨埋深減小而增大，設(shè)防地震工況下，最大層間位移角為0.1‰，滿足GB/T 51336-2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]中地震設(shè)防要求。

（3）接縫變形最大位置位于頂板塊與鄰接塊，接觸應(yīng)力最大的位置為角塊E和C的接觸面；結(jié)構(gòu)中板主要承擔(dān)水平支撐作用，接頭處接觸應(yīng)力較大，但幾乎無(wú)張開(kāi)變形。

（4）塊體自身應(yīng)力水平較低，地震荷載主要由接頭承擔(dān)；根據(jù)混凝土損傷模型判斷損傷主要位于結(jié)構(gòu)上半部接頭及頂、底板跨中，抗震設(shè)防中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。